庫水位升降下多諾水電站右岸傾倒變形體邊坡演化過程研究

李天濤，李少波，郝盛藍，裴向軍

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學），成都 610059；2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四〇二地質(zhì)隊，成都 644002））

1 引言

水電工程的運營在帶來極大效益的同時，也會誘發(fā)大量的庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害，比如庫岸邊坡失穩(wěn)破壞。位于雅礱江下游河段的錦屏水電站庫區(qū)邊坡在施工和蓄水階段都發(fā)生了失穩(wěn)破壞，其中錦屏一級水電站出現(xiàn)了水平深度高達300多米的傾倒變形體。位于瀾滄江下游河段的水電站庫區(qū)邊坡也發(fā)育有傾倒變形現(xiàn)象，傾倒變形體邊坡在蓄水前穩(wěn)定，蓄水后變形量逐漸增大，最后整體坍塌變形（寧奕冰等，2021）。水電站庫岸邊坡的失穩(wěn)和變形破壞對水電站的運營和周邊人民的生命財產(chǎn)安全都造成了極大的威脅。

多諾水電站壩址位于黑河上游，距河口約50 km，距九寨溝縣城約74km。電站水庫正常蓄水位2 370m，死水位2 320.00m。傾倒變形體發(fā)育在近壩右岸層狀順層坡體內(nèi)，具體近壩右岸邊坡位置圖見圖1。

圖1 多諾水電站近壩右岸邊坡

多諾水電站右岸傾倒變形體邊坡的地質(zhì)原型可以概括為：發(fā)育在陡傾順層軟硬巖交互邊坡上的傾倒變形體，坡表在卸荷、蓄水和地震作用下發(fā)育有裂隙，剖面分帶依次為強傾倒松動破碎帶、強傾倒弱松動破碎帶和傾倒帶，傾倒變形邊坡地質(zhì)模型見圖2。

圖2 傾倒變形體邊坡地質(zhì)模型

多諾水電站右岸傾倒變形體邊坡從施工到水庫蓄水以來變形一直未收斂，邊坡持續(xù)處于蠕動變形中，坡體在“8·8”九寨溝地震中又增加幾條裂隙（圖3，圖4），而且監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示震后坡體出現(xiàn)了變形量異常變化和變形速率增加的現(xiàn)象。如果任由其發(fā)展，右岸邊坡很有可能在極端情況（多次蓄水、地震和降雨等）下失穩(wěn)破壞，對多諾水電站的安全運行產(chǎn)生威脅。

圖3 震后新增C裂隙

圖4 震后新增E裂隙

目前對多諾水電站右岸傾倒變形邊坡的研究僅停留在蓄水初期右岸一小部分坡體的變形破壞因素分析和穩(wěn)定性評價中（王雅雯，2016），沒有對右岸坡體在多次蓄水和地震后持續(xù)變形破壞的機理和傾倒變形體的演化過程進行系統(tǒng)性研究。傾倒變形現(xiàn)象大多發(fā)生在反傾層狀巖質(zhì)邊坡中（任光明等，2009），多諾水電站右岸坡體的傾倒變形體卻發(fā)育在層狀順層坡體內(nèi)，所以，研究多諾水電站右岸傾倒變形順層邊坡的變形破壞機理和演化過程一定程度上可以彌補順層傾倒變形體邊坡領(lǐng)域的空缺。

本文將通過整理分析坡表裂隙宏觀變形和監(jiān)測數(shù)據(jù)來探究邊坡變形的影響因素；然后根據(jù)底摩擦實驗得到的岸坡傾倒變形體初始形成過程，進而得出多諾水電站傾倒變形體邊坡的演化過程。本文將為后續(xù)庫區(qū)順層邊坡內(nèi)傾倒變形體的變形破壞規(guī)律和演化過程的研究提供重要的依據(jù)，具有重要的理論和工程實踐意義。

2 邊坡變形影響因素分析

2.1 坡表裂隙變形影響因素分析

截止目前，多諾水電站右岸傾倒變形體邊坡坡表存在的裂隙共有10條，編號為A、B、C、D、E、Y1、Y2、Y3－1、Y3－2和Y3－3，具體位置見圖5。坡表裂隙發(fā)展過程大致為：Y3－1、Y3－2和Y3－3在蓄水前形成，蓄水期和地震后均再次擴展；A、B、Y1和Y2裂隙在蓄水期形成，地震后又再次擴展；C、D、E裂隙在地震后出現(xiàn)。從傾倒變形體邊坡坡表裂隙的發(fā)展過程可以看出：裂隙形成的類型可以分為3個，施工期邊坡開挖卸荷形成的Y3－1、Y3－2和Y3－3裂隙，蓄水期庫水位升降作用下形成A、B、Y1和Y2裂隙，地震時由于震裂作用形成的C、D、E裂隙。其中Y3－1、Y3－2和Y3－3裂隙雖形成于施工期，但是后續(xù)的發(fā)展也受到蓄水作用和地震作用的影響。同樣，形成于蓄水期的A、B、Y1和Y2裂隙也受到了地震作用的影響。綜上所述，多諾水電站右岸傾倒變形體邊坡坡表裂隙的形成和發(fā)展與邊坡開挖、蓄水作用和地震作用都有關(guān)系。

圖5 多諾水電站右岸傾倒變形體坡表裂隙分布圖

2.2 基于坡體監(jiān)測數(shù)據(jù)的變形影響因素分析

根據(jù)多諾水電站右岸傾倒變形體邊坡內(nèi)布設(shè)的地表變形觀測墩數(shù)據(jù)來分析坡體變形的影響因素。

（1）坡體變形與庫水位變化的相關(guān)性較好

從各監(jiān)測點水平位移變形速率來看：水平合位移變形速率庫水位有較好的相關(guān)性，變化趨勢大致相同，但速率峰值略滯后于庫水位峰值。變形速率整體呈減小趨勢。一期蓄水期間（2013年3月～2014年初）水位驟升驟降了3次，水平合位移變形速率也對應(yīng)出現(xiàn)了峰值；2014年9月1日開始二期蓄水，水位在2014年12月26日達到最大值2 370 m，相對應(yīng)的水平位移變形速率峰值出現(xiàn)在2015年1月～3月，相對于庫水位的峰值出現(xiàn)了明顯的滯后。二期蓄水后的多次水位升降過程也出現(xiàn)了速率峰值隨同庫水位峰值出現(xiàn)并且滯后于庫水位峰值的現(xiàn)象。水平合位移變形速率峰值從二次蓄水開始總體呈現(xiàn)減小趨勢，二期蓄水期間出現(xiàn)的變形速率峰值最大為3.5mm／d，在之后的幾次蓄水期間逐漸降至1.5 mm／d、1 mm／d、0.7 mm／d……具體見圖6。

圖6 傾倒變形體邊坡水平位移變形速率圖

從各監(jiān)測點沉降變形速率來看：沉降變形速率庫水位有較好的相關(guān)性，變化趨勢大致相同，但速率峰值略滯后于庫水位峰值，沉降變形速率總體比水平合位移變形速率要小，變形速率整體呈減小趨勢。一期蓄水期間（2013年3月～2014年初）水位驟升驟降了3次，沉降變形速率也對應(yīng)出現(xiàn)了峰值，最后一次變形速率峰值出現(xiàn)在2014年4月，此時庫水位已穩(wěn)定在2 320m，可以明顯看出速率峰值略滯后于庫水位峰值；二期蓄水期間水位在2014年12月26日達到最大值2 370m，相對應(yīng)的水平位移變形速率峰值出現(xiàn)在2015年2月～5月，相對于庫水位的峰值出現(xiàn)了明顯的滯后。二期蓄水之后的多次水位升降過程也出現(xiàn)了速率峰值隨同庫水位峰值出現(xiàn)并且滯后于庫水位峰值的現(xiàn)象。沉降變形速率峰值從二次蓄水開始總體呈現(xiàn)減小趨勢，二期蓄水期間出現(xiàn)的變形速率峰值為1.6mm／d，在之后的幾次蓄水期間逐漸降至1.0mm／d、0.6mm／d、0.8mm／d……具體見圖7。

圖7 傾倒變形體邊坡垂直沉降變形速率

（2）地震作用對邊坡變形的影響

2017年8月8日21時19分，九寨溝縣發(fā)生7.0級地震，邊坡各測點變形量均有明顯增大，受其影響震后一個月變形速率較震前有明顯增加。

圖8和圖9為傾倒變形區(qū)部分監(jiān)測點地震前后水平合位移及沉降變形量監(jiān)測成果圖。從圖中可以看出，地震前7月中旬水庫庫水位開始下降，到地震前，傾倒變形區(qū)內(nèi)各個監(jiān)測點的變形量均基本維持不變，2017年8月8日九寨溝縣發(fā)生7.0級地震后，區(qū)內(nèi)監(jiān)測點的變形量出現(xiàn)增加的趨勢，2018年1月19日，監(jiān)測點的變形量出現(xiàn)突變。

圖8 地震前部分監(jiān)測點水平合位移增量監(jiān)測成果圖

以圖4～16的4個監(jiān)測點為例，其中在九寨溝震后4個監(jiān)測點的水平合位移增量和沉降量都呈現(xiàn)增加趨勢，一直持續(xù)到2017年9月份增勢才逐漸放緩；2018年1月9日，監(jiān)測點KTP1－1和KTP1－2－A的水平合位移增量和沉降量都出現(xiàn)了突變。僅1d的時間，KTP1－1和KTP1－2－A水平合位移量從40 mm以下突增到了50mm左右（圖8），KTP1－1的沉降量從25mm突變到了30mm，KTP1－2－A的沉降量從7mm突變到了15mm（圖9）。變形量突變之后的一段時間，KTP1－1和KTP1－2－A的水平合位移增量和沉降量也都呈現(xiàn)增加趨勢。

圖9 地震前后部分監(jiān)測點沉降量監(jiān)測成果圖

2017年“8·8”九寨溝地震后監(jiān)測點變形量增加時正值庫水位下降期，此時庫水位剛從峰值水位2 370m開始下降約一個月左右；2018年1月19日，3個區(qū)內(nèi)各個監(jiān)測點的變形量出現(xiàn)突變，也正值庫水位開始下降1個月。震后兩次變形量異常變化情況均位于庫水位下降期，變形量變化會受庫水位的影響。為了進一步分析震后變形量突增情況與地震作用的相關(guān)性，本文將對比地震前后類似庫水位下降期工況下傾倒變形體邊坡的部分水平合位移速率情況（圖10）。地震前后水庫水位下降時期與去年同期水位相比，去年各區(qū)變形速率隨庫水位下降變形速率逐漸降低，“8·8”地震發(fā)生后，隨庫水位的下降變形速率呈增加狀態(tài)，由此推斷“8·8”九寨溝地震對壩前右岸邊坡表面變形影響明顯，一定程度上加劇了該邊坡的變形發(fā)展。

圖10 傾倒變形區(qū)部分監(jiān)測點類似庫水位下降期工況水平合位移平均速率對比圖

3 邊坡初始傾倒變形體初始形成過程

傾倒破壞是指斜坡內(nèi)互相作用的巖柱（塊）在重力的作用下向臨空面一側(cè)產(chǎn)生彎曲與轉(zhuǎn)動，從而引起斜坡傾覆失穩(wěn)的現(xiàn)象。為了研究多諾水電站右岸傾倒變形體的變形機制，本文采用底摩擦模型試驗對傾倒變形體初始形成過程進行模擬，模擬其在河谷演化進程及水庫蓄水作用下的變形失穩(wěn)全過程。

本次順層陡傾巖質(zhì)斜坡底面摩擦模型實驗對象選取是典型的實際傾倒變形斜坡——多諾水電站壩肩邊坡進行模型模擬。物理模擬試驗?zāi)Ｐ筒捎镁匦?，長800mm，高600mm，厚8mm，巖層傾角80°，邊坡模擬開挖坡角為60°，開挖點距離左邊界350 mm。一級開挖線（河流下切）深度為200mm，二級開挖線200mm，三級開挖線深度為100mm，具體如圖11、圖12所示。

圖11 底摩擦實驗?zāi)Ｐ?/p>

圖12 底摩擦實驗裝置圖

啟動儀器，設(shè)置轉(zhuǎn)速為5r／min，在開啟儀器10 min時，預(yù)固結(jié)基本完成，模型層面在此過程中逐漸擠密；預(yù)固結(jié)完成之后進行一級開挖，并繼續(xù)試驗，儀器運行15min內(nèi)模型無明顯變形或破壞，如圖13。停止儀器，完成二級開挖并運行儀器20min后，模型摩擦力作用下開始發(fā)生變形，如圖14，坡面后緣出現(xiàn)拉裂縫，表明坡內(nèi)巖層之間出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。待裂縫等變形現(xiàn)象穩(wěn)定之后完成三級開挖，隨著機器繼續(xù)運作，模型后緣的的拉裂縫逐步擴展到坡體中部，斜坡前緣部位層面上條塊產(chǎn)生彎曲變形，且彎曲程度隨時間不斷增加，如圖15、圖16。

圖13 一級開挖模型（10min）

圖14 模型變形特征（30min）

圖15 模型變形特征（70min）

圖16 模型變形特征（2h）

在河谷演化下切斜坡形成過程，伴隨岸坡卸荷作用，斜坡巖體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生明顯的分異：坡緣附近為拉應(yīng)力分布區(qū)，坡腳地帶為剪應(yīng)力集中區(qū)；不論是重力場還是以水平應(yīng)力為主的構(gòu)造應(yīng)力場，坡體主應(yīng)力跡線愈靠近臨空面，最大主應(yīng)力愈接近平行于臨空面。在這種應(yīng)力作用下，坡腳地帶呈板狀的陡傾順層巖體將向臨空面發(fā)生初始的傾倒變形。

機器運行3.5h之后，在模擬重力場的作用下，坡腳附近巖體向臨空面傾倒變形加劇，中后部巖體在初始擾動產(chǎn)生的彎矩作用下，層狀拉裂縫繼續(xù)增大，伴隨拉裂縫發(fā)展，層狀巖體因下部受阻而發(fā)生彎曲，巖層彎曲到一定程度逐漸向臨空面傾倒，如圖17。

圖17 模型變形特征（3.5h）

綜上所述，在斜坡初始形成過程中由于河谷下切伴隨岸坡卸荷作用，導(dǎo)致坡體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的差異：拉應(yīng)力分布于坡肩，剪應(yīng)力集中于坡腳；不論是重力場還是以水平應(yīng)力為主的構(gòu)造應(yīng)力場，坡體主應(yīng)力跡線愈靠近臨空面，最大主應(yīng)力愈接近平行于臨空面。在這種應(yīng)力作用下，坡腳地帶呈板狀的陡傾順層巖體將向臨空面發(fā)生初始的傾倒變形。

4 多諾水電站右岸傾倒變形體邊坡演化過程

（1）多諾水電站右岸傾倒變形體邊坡的持續(xù)變形與其自身地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件、蓄水作用和地震作用都相關(guān)。

①多諾水電站右岸傾倒變形體邊坡原始坡體為陡傾順層軟硬巖交互邊坡。坡體巖層原始傾角為60°～70°，走向與坡面相交角度位5°～30°，小角度相交，為順層邊坡，巖性主要為中－厚層砂巖夾板巖或千枚巖，這類坡體結(jié)構(gòu)就極易發(fā)生傾倒變形。

②蓄水作用使右岸傾倒變形體邊坡坡腳的力學性質(zhì)和孔隙水壓力都發(fā)生了變化，致使坡體前緣產(chǎn)生蠕滑，進而促進了邊坡上部傾倒變形的加劇。

③地震作用使坡體結(jié)構(gòu)更為破碎，坡體力學性質(zhì)降低，同時也加劇了蓄水作用對傾倒變形的影響。

④邊坡內(nèi)存在大型構(gòu)造結(jié)構(gòu)面（斷層破碎帶），在前緣蠕滑和上部傾倒推覆作用下，破碎帶極易貫通，引發(fā)傾倒變形體整體滑動失穩(wěn)。

所以說多諾水電站右岸傾倒變形體邊坡的變形破壞大致受控于自身結(jié)構(gòu)造成的初始傾倒變形界面和結(jié)構(gòu)面、蓄水作用下形成的前緣蠕滑面以及地震作用下形成的結(jié)構(gòu)面，推測傾倒變形體邊坡破壞面為頂部高程2 480～2 490m的最外側(cè)順坡向拉裂縫為后緣沿斷層影響帶和傾倒變形體交界面，從剪出口位于死水位（2 320m）以下位置的剪出口剪出，傾倒變形體底邊界大致在斷層破碎帶附近。

（2）庫水位升降作用下傾倒變形體邊坡演化過程

庫水位升降作用下多諾水電站右岸傾倒變形體邊坡變形的過程大致為：①前期河谷下切使陡傾順層巖體將向臨空面發(fā)生初始的傾倒變形（圖18b）。②庫水位升降導(dǎo)致水位變動區(qū)的巖體劣化，坡腳巖土體抗剪強度逐漸降低，坡腳巖層會發(fā)生蠕滑（圖18c）。③地震一方面使坡體裂隙增加，加劇了庫水的入滲，進而加劇庫水變動對巖體劣化作用；另一方面在地震的震裂作用下，坡體強度也出現(xiàn)大幅降低，坡腳巖土體也出現(xiàn)劣化；地震作用總體上加快了坡腳巖土體抗剪強度的降低，加速了坡腳巖層的蠕滑（圖18d）。④在上部巖層的持續(xù)重力作用下，坡腳巖層會發(fā)生剪切滑移，為后部傾倒巖體提供了新的運動空間。斜坡后部強傾倒巖體隨裂隙產(chǎn)生進一步傾倒變形（圖18e）。⑤由于坡體內(nèi)存在破碎帶，力學性質(zhì)較差，很容易使傾倒變形體沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生整體滑動。

圖18 傾倒變形體順層邊坡演化過程

5 結(jié)論

（1）根據(jù)邊坡裂隙形成過程和坡體監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可以得出：多諾右岸傾倒變形體邊坡的變形與施工期的卸荷、庫水位變化和地震都具有相關(guān)性。震前震后蓄水階段都出現(xiàn)了蓄水變形響應(yīng)，地震加劇了傾倒變形區(qū)的裂隙擴展和巖體損傷，所以傾倒變形體邊坡監(jiān)測到的變形數(shù)據(jù)出現(xiàn)異于震前的情況。

（2）根據(jù)底摩擦實驗結(jié)果可知，斜坡初始形成過程中由于河谷下切伴隨岸坡卸荷作用，導(dǎo)致坡體內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的差異：拉應(yīng)力分布于坡肩，剪應(yīng)力集中于坡腳；不論是重力場還是以水平應(yīng)力為主的構(gòu)造應(yīng)力場，坡體主應(yīng)力跡線愈靠近臨空面，最大主應(yīng)力愈接近平行于臨空面。在這種應(yīng)力作用下，坡腳地帶呈板狀的陡傾順層巖體將向臨空面發(fā)生初始的傾倒變形。

（3）多諾水電站右岸傾倒變形體邊坡的演化過程為：前期河谷下切和邊坡開挖，使陡傾順層巖體將向臨空面發(fā)生初始的傾倒變形，庫水位升降導(dǎo)致水位變動區(qū)的巖體劣化，地震使坡體裂隙增加，加劇了庫水的入滲，進而加劇巖體劣化，在上部巖層的持續(xù)重力作用下，坡腳巖層會發(fā)生剪切滑移，為后部傾倒巖體提供了新的運動空間。斜坡后部強傾倒巖體隨裂隙產(chǎn)生進一步傾倒變形。